CN107860712A - 光学检测系统 - Google Patents

Abstract

一种光学检测系统，包括一发光模块、一检测试片以及一接收模块。发光模块包括一光源及一第一遮光单元，光源提供一光束。第一遮光单元具有一第一孔隙，第一孔隙与光源对应设置。一检测试片包括一卡匣及一试纸条。卡匣具有一第一视窗、一第二视窗及一检体开口，检体开口设置于卡匣的一表面，第一视窗与第二视窗对应设置并分别开设于卡匣的相对两侧。试纸条设置于卡匣内。接收模块包括一第二遮光单元及一光学感测器。第二遮光单元具有一第二孔隙，第二孔隙与第二视窗对应设置。光学感测器接收该光束并发出一测量信号。

Description

光学检测系统

技术领域

本发明涉及一种光学检测系统，特别涉及一种用于检测一检测试片的光学检测系统。

背景技术

现行的侧流层析法(Lateral Flow Assay,LFA)技术因使用方便且制程技术成熟，被广泛应用于快筛检测相关领域之中，而其检测结果除了肉眼判断以外，反射式光学检测及互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像获取装置亦是常见的判读技术。然而，当使用肉眼判断检测结果时，除了存在人为判断的差异外，对于呈色较不明显的微弱反应，常常导致使用者误判；而反射式光学检测技术则是仅能检测到检测试纸条表面的颜色变化，对于潜藏在试纸条纤维内部的颜色变化无法反应到检测信号中。此外，反射式光学检测信号容易受到试纸条表面与光学读取装置的距离变化影响，测量变异较大且需要精确的机构配合，因此无法适用于便携式检测的需求。

另外，CMOS影像获取装置可通过相机拍摄快筛试纸条的影像，再通过影像分析技术来圈选特定反应区域影像的色彩或明暗并加以量化，虽然解决了肉眼判断的问题，但其灵敏度的判读极限并未有明显的提升。因此，如何提升检测仪器的方便性及灵敏度已成为检测试片读取装置发展的主要议题。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种穿透式光学检测系统，以降低判读装置设计的复杂度并提高检测的可靠度，亦可感测潜藏于试纸条内部的反应信号，进而提升检测的灵敏度。

为达上述目的，依据本发明的一种光学检测系统包括一发光模块、一检测试片以及一接收模块。发光模块包括一光源及一第一遮光单元，光源提供一光束。第一遮光单元具有一第一孔隙，第一孔隙与光源对应设置。检测试片包括一卡匣及一试纸条。卡匣具有一第一视窗、一第二视窗及一检体开口，检体开口设置于卡匣的一表面，第一视窗与第二视窗对应设置并分别开设于卡匣的相对两侧，第一视窗与第一孔隙对应设置。试纸条设置于卡匣内。接收模块包括一第二遮光单元及一光学感测器。第二遮光单元具有一第二孔隙，且第二孔隙与第二视窗对应设置。光学感测器用以接收光束并发出一测量信号。其中，光束经由第一孔隙出射第一遮光单元后，光束按序穿透第一视窗、试纸条、第二视窗并经由第二孔隙入射于第二遮光单元内。

在一实施例中，试纸条包含至少一测试带及一质控带，且测试带及质控带分布于第一视窗与第二视窗于试纸条上的垂直投影面的交集范围内。

在一实施例中，第一孔隙的直径小于或等于测试带的宽度及质控带的宽度。

在一实施例中，第二孔隙的直径小于或等于第一孔隙的直径。

在一实施例中，第一孔隙的直径介于0.1～5.0mm。

在一实施例中，光源为一发光二极管，且试纸条更具有一呈色材料，发光二极管发射的光波长为呈色材料吸收的光波长。

在一实施例中，光源、第一孔隙、第二孔隙以及光学感测器共同构成一光学检测路径，光学检测路径实质垂直于检测试片。

在一实施例中，还包括一试片移动装置，用以固定并带动检测试片沿第一视窗的长轴方向作直线运动，使光束沿长轴方向照射到部分的卡匣及第一视窗。

在一实施例中，试片移动装置为一自动驱动装置或一手动驱动装置。

在一实施例中，自动驱动装置包括一滑轨、一螺杆、一齿轮或一皮带等传动装置，并连接一马达。

在一实施例中，手动驱动装置是搭配一卡槽滑块及一滑槽的设计，以一手指直接移动检测试片作直线运动。

在一实施例中，还包括一信号分析模块，信号分析模块包括一信号分析单元以及一信号演算单元。信号分析单元接收测量信号，并依据测量信号输出一参数，其中参数为一背景信号参数、一质控信号参数、一测试信号参数或一第一视窗时间参数。信号演算单元运用至少一参数作运算推算出待测检体中的特定物质浓度。

在一实施例中，光学检测系统是通过一穿透式光学检测路径测量潜藏在试纸条的纤维内部的一检测信号。

承上所述，本发明的光学检测系统是通过穿透式光学检测路径测量潜藏在试纸条纤维内部的检测信号，提升检测信号的强度；利用光学检测路径的扫描式设计，沿检测试片的第一视窗的长轴方向按序扫描第一视窗内的试纸条空白区域、测试带以及质控带，以减少光学感测器的数量，降低读取装置设计的复杂度，并增加检测试片上测试带数量增减的弹性，同时降低对测试带及质控带的画线精度要求。最后，利用第一孔隙及第二孔隙的配合，以增加测量信号的可靠度，提高测量信号的讯杂比及强度，进而达到提升检测仪器的方便性及灵敏度的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种光学检测系统的示意图。

图2为本发明一实施例的光学检测路径的示意图。

图3A为本发明一实施例的检测试片立体示意图。

图3B为图3A所示检测试片的爆炸示意图。

图4为本发明一实施例的输出测量信号的电位波形示意图。

图5为本发明另一实施例的输出测量信号的电位波形示意图。

图6为本发明一实施例的测试带信号噪声比的示意图。

附图标记说明：

1：发光模块

11：光源

111：光束

12：第一遮光单元

121：第一孔隙

2：检测试片

21：卡匣

211：第一视窗

212：第二视窗

213：检体开口

22：试纸条

221：空白区域

222：呈色材料

3：接收模块

31：第二遮光单元

311：第二孔隙

32：光学感测器

4：试片移动装置

C：质控带、质控带信号

T：测试带、测试带信号

MA₂₁₁：长轴方向

OD：光学检测系统

OP：光学检测路径

SNR、SNR(21)、SNR(221)、SNR(T)、SNR(C)：信号噪声比

Vav：平均值

A0、A1、a₀、a₁、a₂、a_n：时间值

△A：第一视窗时间

△a₁、△a₂、△a_n：时间差值

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明一实施例的一种光学检测系统，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。

请同时参照图1、图2、图3A以及图3B，图1为本发明一实施例的一种光学检测系统的示意图，图2为本发明一实施例的光学检测路径的示意图，为求画面简洁，故省略检测试片的卡匣，图3A为本发明一实施例的检测试片立体示意图，图3B为图3A所示检测试片的爆炸示意图。

本发明提供一种光学检测系统OD包括一发光模块1、一检测试片2以及一接收模块3。发光模块1包括一光源11及一第一遮光单元12，光源11提供一光束111，而第一遮光单元12具有一第一孔隙121，且第一孔隙121与光源11对应设置，使光束111经由第一孔隙121出射第一遮光单元12。

而检测试片2包括一卡匣21及一试纸条22，其中卡匣21具有一第一视窗211、一第二视窗212及一检体开口213，检体开口213设置于卡匣21的一表面，第一视窗211与第二视窗212对应设置并分别开设于卡匣21的相对两侧，第一视窗211与第一孔隙121对应设置，且试纸条22设置于卡匣21内，使光束111出射第一遮光单元12后，光束111按序穿透第一视窗211及试纸条22，并经由第二视窗212出射检测试片2。

其接收模块3包括一第二遮光单元31元及一光学感测器32。第二遮光单元31元具有一第二孔隙311，且第二孔隙311与第二视窗对应设置，使光束111出射检测试片后，经由第二孔隙311入射于第二遮光单元31内，而光学感测器32用以接收光束111并发出一测量信号。光束111经由第一孔隙121出射第一遮光单元12后，光束111按序穿透第一视窗211、试纸条22、第二视窗212并经由第二孔隙311入射于第二遮光单元31内。

本发明提供的光学检测系统是通过穿透式光学检测路径测量潜藏在试纸条纤维内部的检测信号，其中，光束经由第一孔隙出射第一遮光单元后，光束按序穿透第一视窗、试纸条、第二视窗并经由第二孔隙入射于第二遮光单元内。因此在本实施例中，光源11、第一孔隙121、第二孔隙311以及光学感测器32共同构成一光学检测路径OP，而光学检测路径OP实质垂直于检测试片2。检测试片2的检测反应区域为镂空式设计，因此检测试片2具有第一视窗211与第二视窗212彼此对应设置，试纸条22包含至少一测试带T及一质控带C，且测试带T及质控带C分布于第一视窗211与第二视窗212于试纸条22上的垂直投影面的交集范围内，换句话说，试纸条22上测试带T及质控带C分布的区域，使光束111从发光模块1出射后，即可入射于第一视窗211，穿透试纸条22上的测试带T或质控带C，最后经由第二视窗212出射检测试片2，使测试带T或质控带C的检测信号被接收模块3所接收。

在本实施例中，第一孔隙121的直径介于0.1～5.0mm，且第一孔隙121的直径小于或等于测试带T的宽度及质控带C的宽度时，可使光束111穿透于测试带T或质控带C时，光束111的宽度小于测试带T的宽度及质控带C的宽度，再加上第二孔隙311的直径小于第一孔隙121的直径，可使光学感测器32于接收光束111时，可过滤掉过多的接收噪声，达到提升测量信号的可靠度。

通过透光式光学检测路径的设计，光源与光学感测器的位置为固定，因此检测信号不易受到试纸条与光学感测器的间距变动所影响，且第一孔隙的直径小于或等于测试带及质控带的宽度，且第二孔隙的直径小于或等于第一孔隙的直径，可以减少光源强度不均的问题，于检测时不需使用光学扩散片，且仅需使用单一光学感测器，可使检测仪器的机构较为精简，亦可简化测量校正的作业。

在本实施例中，光学检测系统OD还包括一试片移动装置4，试片移动装置4用以固定并带动检测试片2沿第一视窗211的长轴方向MA₂₁₁作直线运动，使光束沿长轴方向MA₂₁₁照射到部分的卡匣21及第一视窗211。更进一步说明，利用试片移动装置4带动检测试片2与固定位置的光学检测路径OP产生直线相对运动，使光学检测路径OP沿第一视窗211的长轴方向MA₂₁₁按序照射到部分的卡匣21、进入第一视窗211内试纸条22的空白区域221、测试带T及质控带C、再照射到试纸条22的空白区域221，最后光学检测路径OP离开第一视窗211照射至部分的卡匣21后，检测试片2即停止运动。

在本实施例中，试片移动装置4为一自动驱动装置或一手动驱动装置；自动驱动装置是以滑轨、螺杆、齿轮或皮带等传动装置，连接马达所构成(附图未示)，使检测试片2沿第一视窗211的长轴方向MA₂₁₁作直线运动，而手动驱动装置是搭配卡槽滑块及滑槽的设计(附图未示)，以手指直接移动检测试片2作直线运动。

通过扫描式光学检测路径，使检测试片与光学检测路径产生直线相对运动，使光学检测路径按序扫描试纸条上各测试带及质控带，可克服因制程变异与产品相容性所造成光学感测器与试纸条的位移问题，更可降低试纸条制作的精度要求，并增加测试带的数量增减的弹性。

请同时参照图4、图5及图6，图4为本发明一实施例的输出测量信号的电位波形示意图，图5为本发明另一实施例的输出测量信号的电位波形示意图，图6为本发明一实施例的测试带信号噪声比的示意图。

在一实施例中，光源11为一发光二极管，且试纸条22更具有一呈色材料222，发光二极管发射的光波长为呈色材料222吸收的光波长，而呈色材料222涂布于试纸条22上各测试带T及质控带C。因此，当光束111通过各测试带T或质控带C时，部分光波长将被呈色材料222吸收，使光束111的光强度减弱，光学感测器32接收到光束111的光强度变化后，反应于输出的测量信号。

在一实施例中，光学检测系统OD还包括一信号分析模块，信号分析模块包括一信号分析单元以及一信号演算单元。信号分析单元接收测量信号，并依据测量信号输出一参数，其中参数为一背景信号参数、一质控信号参数、一测试信号参数或一第一视窗时间△A参数。一信号演算单元运用至少一参数作运算并输出一信号噪声比。

以下将利用图4、图5及图6说明本实施例信号分析模块的运行模式。

当光学检测路径OP沿第一视窗211的长轴方向MA₂₁₁按序扫描检测试片2时，即得到如图4所示的输出测量信号的电位波形，横轴为光学检测路径OP检测的采样时间，纵轴为测量信号的电压大小。由于检测试片2的卡匣21为不透光材质，因此光学检测路径OP检测到的测量信号接近零点的信号，随着检测试片2持续推进，当光学检测路径OP开始进入到第一视窗211时，光束111通过具透光性试纸条22的空白区域221时，测量信号急遽增加，将其时间轴设为零点。其后，当测试带T及质控带C分别通过光学检测路径OP时，部分光波长被呈色材料222吸收，光束111的光强度减弱，得到两个明显的沉降测量信号即为测试带信号及质控带信号(附图中T及C处)。而当光学检测路径OP开始离开到第一视窗211时，光束111照射于检测试片2的卡匣21时，测量信号回归于接近零点处，至此完成整个检测程序。

前述的检测程序，试片移动装置4为自动驱动装置或是手动驱动装置皆可使用，检测试片2推进速度的快慢，仅影响整体测量信号的反应时间长短，而沉降的测量信号(附图中T及C处)不受推进速度的影响，因此可作为测量与分析的依据。

以下将定义具特征意义的参数与数值：

第一视窗时间△A是指光束111开始进入第一视窗211，至离开第一视窗211的历经时间。

背景信号是指光束111通过具透光性试纸条22的空白区域221，其测量信号的平均值Vav。

测试带信号T是指光束111通过测试带T，其测量信号的最低值。

质控带信号C是指光束111通过质控带C，其测量信号的最低值。

△T＝ABS│背景信号–测试带信号│

△C＝ABS│背景信号–质控带信号│

测试带信号噪声比SNR(T)＝△T/背景信号

质控带信号噪声比SNR(C)＝△C/背景信号

将具透光性试纸条22的空白区域221的测量信号平均值Vav设为背景信号，并分别计算测试带T与质控带C的沉降测量信号(附图中T及C处)为测试带信号T及质控带信号C，将测试带信号T及质控带信号C分别与背景信号的差值(△T、△C)与背景信号作正规化(Normalization)，即可得到测试带信号噪声比SNR(T)及质控带信号噪声比SNR(C)。

如图4，在此定义之下的测量信号数值为0～1之间；当光束111尚未进入于第一视窗211时，光束111照射于检测试片2的卡匣21时，光束111被卡匣21遮蔽，几乎没有光束111进入光学感测器32中，其测量信号数值趋近于0；当光束111进入于第一视窗211，照射于试纸条22上的空白区域221时，会有大量的光束111通过试纸条22，进入光学感测器32中，其测量信号数值急遽增加，使反应曲线由零点处向上，随后当质控带C与测试带T分别通过检测路径时，因部分光强为呈色材料222吸收，可分别看到两个清楚的沉降信号，当检测的光束111通过第一视窗211后，光束111再次被卡匣本体21遮蔽而回复到零点，分别计算质控带C与测试带T沉降信号与与背景信号的差值，即可分别得到测试带信号噪声比SNR(T)及质控带信号噪声比SNR(C)。而随着检测试片2待检测标的浓度的增加，其信号噪声比SNR的数值将会随着测试带T与质控带C内的呈色材料222聚集密度增加而逐渐升高。

进一步探讨光学检测路径OP中的第一孔隙121与第二孔隙311不同的直径宽度对测量信号的影响，即得到如图5所示的输出测量信号的电位波形示意图。当发光模块1固定波长及频率的光源11条件之下，且当第一孔隙121的直径固定为1.0mm时，第二孔隙311分别以0.1mm、0.3mm的条件对hCG样品蛋白浓度为100mIU的检测试片2做检测，并对所得到的输出测量信号的电位波形的第一视窗时间△A进行正规化(Normalization)。

以下将介绍第一视窗时间进行正规化(Normalization)的运算方式，在此定义具特征意义的参数与数值：

第一视窗时间△A＝A1-A0

时间差值△a₁＝a₁-a₀

时间差值△a₂＝a₂-a₀

时间差值△a_n＝a_n-a₀

第一视窗时间进行正规化＝△a_1…n/△A

如图4所示，当光束111开始进入第一视窗211，光束111通过试纸条22的空白区域221，先将光学感测器32开始接收到测量信号的时间点设为时间轴零点A0、a₀，光束111离开第一视窗211的时间轴为A1，A1-A0为△A，即为第一视窗时间。在第一视窗时间内，每个测量信号的时间值分别为a₁、a₂…a_n，与时间轴零点的时间值a₀相减后，可得到每个测量信号的时间差值分别为△a₁、△a₂…△a_n。最后将所有时间差值△a₁、△a₂…△a_n分别除上第一视窗时间△A，即完成完整的测量信号的第一视窗时间△A进行正规化。

经由测量信号的第一视窗时间△A进行正规化后，当第一孔隙121的直径固定为1.0mm时，第二孔隙311的直径为0.3mm的测量信号电位波形高于第二孔隙311的直径为0.1mm的测量信号电位波形。因此，本实施例的光学检测系统OD，于固定第一孔隙121直径，固定出光条件下，增加第二孔隙311的直径会导致背景信号与测量信号同时提升。而进一步分析两者的测试带信号噪声比SNR(T)，如图5所示，却发现第二孔隙311的直径为0.1mm的测试带信号噪声比SNR(T)曲线，高于第二孔隙121的直径为0.3mm的测试带信号噪声比SNR(T)曲线。

此外，如图5所示，当试片移动装置4是利用手动驱动装置移动检测试片2时，虽然会造成各别测量信号的第一视窗时间△A的测量长短差异，但其测量信号经过正规化后，各别测试带信号T及质控带信号C的沉降测量信号时间点一致，因此，第一视窗时间△A正规化有助于后续测量信号分析流程的简化。

光学检测系统OD是通过第一孔隙121与第二孔隙311的搭配，限制照射在检测试片2上的光束111宽度，限制测试带T及质控带C区域以外的背景信号进入光学感测器32，可避免试纸条22空白区域221与测试带T或质控带C的测量信号同时进入光学感测器32中，导致背景信号及信号噪声比SNR上升的现象。

图6为本实施例的测试带信号噪声比的示意图，以不同hCG样品蛋白浓度0.25mIU、100mIU的检测试片2与第一孔隙121、第二孔隙311相互配合，并分析各别的测试带信号噪声比SNR(T)值变化。在本实施例中，当第一孔隙121的直径固定为0.1mm时，第二孔隙311的直径为1.0mm的测试带信号噪声比SNR(T)值高于第二孔隙311的直径为6.0mm的测试带信号噪声比SNR(T)值。而当第二孔隙311的直径固定为6.0mm时，第一孔隙121的直径为0.1mm的测试带信号噪声比SNR(T)值高于第一孔隙121的直径为1.0mm的测试带信号噪声比SNR(T)值。由此得知，无论在固定第一孔隙121或第二孔隙311的直径固定条件下，缩小另一孔隙的直径均可提升检测信号噪声比SNR值，且通过第一孔隙121与第二孔隙311的配合，可得到清楚且易于分析的测量信号电位波形及可得优选的信号噪声比SNR值。特别是将第一孔隙121的直径缩小为0.1mm及第二孔隙311的直径都缩小为1.0mm的条件下，可得到最佳的信号噪声比SNR值。

如图6所示，通过上述信号噪声比SNR值的量化，可进一步推算出检测试片2的待检测标的浓度。

综上所述，本发明的光学检测系统是通过穿透式光学检测路径测量潜藏在试纸条纤维内部的检测信号，提升检测信号的强度；利用光学检测路径的扫描式设计，沿检测试片的第一视窗的长轴方向按序扫描第一视窗内的试纸条空白区域、测试带以及质控带，以减少光学感测器的数量，降低读取装置设计的复杂度，并增加检测试片上测试带数量增减的弹性，同时降低对测试带及质控带的画线精度要求。

本发明的光学检测系统利用穿透式光学检测路径中的第一孔隙及第二孔隙相互配合，以增加测量信号的可靠度，提高测量信号的讯杂比及强度，提升测量信号的信号噪声比SNR值，进而降低检测试片的最低检测极限(Limitation of Detection,LOD)，进而达到提升检测仪器的方便性及灵敏度的目的。

Claims (13)

1.一种光学检测系统，包括：

一发光模块，包括：

一光源，提供一光束；及

一第一遮光单元，具有一第一孔隙，该第一孔隙与该光源对应设置；

一检测试片，包括：

一卡匣，具有一第一视窗、一第二视窗及一检体开口，该检体开口设置于该卡匣的一表面，该第一视窗与该第二视窗对应设置并分别开设于该卡匣的相对两侧，该第一视窗与该第一孔隙对应设置；及

一试纸条，设置于该卡匣内；以及

一接收模块，包括：

一第二遮光单元，具有一第二孔隙，且该第二孔隙与该第二视窗对应设置；及

一光学感测器，用以接收该光束并发出一测量信号，

其中，该光束经由该第一孔隙出射该第一遮光单元后，该光束按序穿透该第一视窗、该试纸条、该第二视窗并经由该第二孔隙入射于该第二遮光单元内。

2.如权利要求1所述的光学检测系统，其中该试纸条包含至少一测试带及一质控带，且该测试带及该质控带分布于该第一视窗与该第二视窗于该试纸条上的垂直投影面的交集范围内。

3.如权利要求2所述的光学检测系统，其中该第一孔隙的直径小于或等于该测试带的宽度及该质控带的宽度。

4.如权利要求1所述的光学检测系统，其中该第二孔隙的直径小于或等于该第一孔隙的直径。

5.如权利要求1所述的光学检测系统，其中该第一孔隙的直径介于0.1～5.0mm。

6.如权利要求1所述的光学检测系统，其中该光源为一发光二极管，且该试纸条更具有一呈色材料，该发光二极管发射的光波长为该呈色材料吸收的光波长。

7.如权利要求1所述的光学检测系统，其中该光源、该第一孔隙、该第二孔隙以及该光学感测器共同构成一光学检测路径，该光学检测路径实质垂直于该检测试片。

8.如权利要求1所述的光学检测系统，还包括：

一试片移动装置，用以固定并带动该检测试片沿该第一视窗的长轴方向作直线运动，使该光束沿该长轴方向照射到部分的该卡匣及该第一视窗。

9.如权利要求8所述的光学检测系统，其中该试片移动装置为一自动驱动装置或一手动驱动装置。

10.如权利要求9所述的光学检测系统，其中该自动驱动装置包括一滑轨、一螺杆、一齿轮或一皮带等传动装置，并连接一马达。

11.如权利要求9所述的光学检测系统，其中该手动驱动装置是搭配一卡槽滑块及一滑槽的设计，以一手指直接移动该检测试片作直线运动。

12.如权利要求1所述的光学检测系统，还包括一信号分析模块，包括：

一信号分析单元，接收该测量信号，并由该测量信号获取参数，其中该参数为一背景信号参数、一质控信号参数、一测试信号参数或一第一视窗时间参数；以及

一信号演算单元，运用至少一该参数作运算推算出待测检体中的特定物质浓度。

13.如权利要求1所述的光学检测系统，其是通过一穿透式光学检测路径测量潜藏在该试纸条的纤维内部的一检测信号。